Введение к работе
Актуальность темы. Регулирование мощности является одной из наиболее актуальных задач, связанных с управлением различными технологическими процессами (поддержание температурного режима сушки, обжига, спекания, плавления и т.д.). Такие требования к устройствам регулирования мощности как высокие энергетические характеристики, широкий диапазон регулирования, низкий уровень вносимых искажений, возможность реализации сложных алгоритмов в автоматизированных системах, определяют актуальность использования цифровых регуляторов мощности в печах сопротивления.
В современной промышленности возрастают требования к увеличению точности регулирования температуры (для прецизионных процессов она составляет ± 0,3 С и выше), которые сопряжены с режимом регулирования мощности. При этом погрешность цифровых систем может быть обеспечена 0,001% от максимального значения, что требует решения задачи уменьшения дифференциальной нелинейности цифрового регулятора напряжения.
Вопросам совершенствования цифровых регуляторов посвящен ряд исследований таких ученых, как Миловзоров В. П., Мусолина А. К. и Липковский К. А., разработавших принципы построения цифровых регуляторов и стабилизаторов, а также Юдин В. В., разработавший метод объединенных матриц для анализа электромагнитных схем и принципы построения цифровых преобразователей переменного напряжения. Предлагаемая работа является дальнейшим развитием этого направления исследования.
В настоящее время известны прецизионные цифровые регуляторы мощности, обладающие широкими функциональными возможностями. Их применение в системах регулирования технологических процессов оправдано удобством сопряжения со средствами цифровой вычислительной техники и возможностью реализации широкого класса алгоритмов управления.
Повышение точности регулирования связано с необходимостью увеличения количества дискретных уровней цифрового регулятора мощности. При этом наибольшей эффективностью обладают регуляторы, выполненные на основе обмоток с двоичным кодированием. Наличие n секций позволяет получить в них 2n уровней мощности. В таких регуляторах путем коммутации обмоток осуществляют выбор определенных комбинаций секций, обеспечивающих получение необходимого уровня выходного напряжения трансформатора.
Особенностью таких регуляторов является большая дифференциальная нелинейность их регулировочной характеристики, приводящая к возникновению погрешности регулирования.
Анализ энергетических процессов в цифровых регуляторах напряжения представляет собой сложную задачу, решение которой требует учета взаимного влияния электрических и магнитных процессов. Выявление наиболее существенных параметров погрешности может быть осуществлено на основе полной модели цифрового регулятора мощности.
Проведенный анализ математической модели регулятора показал, что одной из причин уменьшения точности регулятора является дифференциальная нелинейность его регулировочной характеристики, связанная с разбросом параметров электронных ключей.
Решение данных задач связано с необходимостью совершенствования прецизионных регуляторов мощности, что напрямую сопряжено с моделированием цифрового регулятора мощности, формализацией его физических характеристик, для которой наиболее адекватной является матричная модель, полученная на основе применяемого автором метода объединенных матриц.
Указанные задачи требуют разработки алгоритмов и программ анализа цифрового регулятора мощности.
Цель работы. Повышение точности цифрового регулятора мощности, связанное с эффективностью моделирования регулятора и совершенствованием систем его управления на основе формализации описания входных параметров по методу объединенных матриц.
В данной работе решаются следующие задачи:
-
анализ методов моделирования ключевых структур при управлении характеристиками цифровых регуляторов мощности;
-
разработка модели прецизионного цифрового регулятора мощности, принцип действия которого основан на число-импульсной коррекции компонентов управляющего кода;
-
разработка алгоритма и схемы управления для уменьшения дифференциальной нелинейности цифрового регулятора мощности на основе принципа число-импульсной модуляции;
-
реализация метода моделирования для данных классов устройств, для проектирования и управления.
Методы исследований. В работе использованы: дифференциальное исчисление, теория решения обыкновенных дифференциальных уравнений, матричная алгебра, операционное исчисление и теория множеств.
Научная новизна работы:
-
обоснована необходимость применения метода объединенных матриц для анализа процессов в прецизионных цифровых регуляторах мощности сложной структуры;
-
разработана матричная модель цифрового регулятора мощности, позволяющая оценить дифференциальную нелинейность его регулировочной характеристики;
-
разработан алгоритм управления цифровым регулятором мощности, обеспечивающий коррекцию нелинейности регулировочной характеристики;
-
разработана модель, учитывающая зависимость дифференциальной нелинейности цифрового регулятора мощности от температуры окружающей среды.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
обеспечено снижение вероятности возникновения ошибок ввода расчетных данных до 16%, повышение адекватности модели регулировочной характеристики на 3,3% и уменьшение количества вычислительных операций за счет структурирования исходных данных и применения метода объединенных матриц;
разработана структура системы управления напряжением цифрового регулятора мощности на основе принципа коррекции управляющего кода, обеспечивающая уменьшение дифференциальной нелинейности регулятора на 11,2%;
предложена методика синтеза функции преобразования для узла коррекции, которая может быть использована при практической реализации цифрового регулятора мощности для печей сопротивления.
Реализация результатов работы. Достоверность и обоснованность результатов диссертационных исследований подтверждена корректным использованием математического аппарата матричного, спектрального и статического анализа и соответствием данных теоретических расчетов и экспериментальных исследований. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «СЕКТОР» (г. Рыбинск) и нашли применение в РГАТА имени П. А. Соловьева в лабораторном практикуме учебных дисциплин «Методы анализа и расчета электронных схем» и «Регуляторы электронных управляющих систем» специальности 210106 «Промышленная электроника».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены в докладах на конференциях и семинарах: в VI Всероссийской научно-практической конференции «Алгоритм матричного анализа устройств электромагнитного типа» (Ярославль, 2005г.), в международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов имени П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Альтернативная форма записи уравнения электромагнитной цепи» (Рыбинск, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции XIX ВНТК «Моделирование цифрового регулятора с использованием метода объединенных матриц» (Нижний Новгород, 2006 г.); на Гагаринских чтениях XXXI международной молодежной научной конференции (Москва, 2007 г.), на 61 НТК студентов, магистров и аспирантов к тысячелетию Ярославля «Анализ цифрового регулятора напряжения методом объединенных матриц» (Ярославль 2007г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
матричная модель цифрового регулятора мощности, позволяющая оценить дифференциальную нелинейность его регулировочной характеристики;
-
алгоритм управления цифровым регулятором мощности, обеспечивающий коррекцию нелинейности регулировочной характеристики;
-
модель, учитывающая зависимость дифференциальной нелинейности цифрового регулятора мощности от температуры окружающей среды.
Публикации. По материалам работы опубликовано 7 печатных работ, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списков использованных источников и приложений. Содержит 143 страницы основного текста, 37 рисунков, 15 таблиц, список использованной литературы из 117 наименований и приложение на 12 страницах.
